基于水化學場的63上06工作面突水水源判別研究

謝華東，侯俊華，李 萍，朱術(shù)云

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東鄒城273512；2.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州221116）

0 引言

隨著開采年限增加，許多礦井相對比較安全容易開采的煤炭資源逐漸減少，甚至基本開采完畢，礦井為可持續(xù)發(fā)展，要么進行提高開采上限，要么向深部延伸開采，但這2個方向的開采均面臨水害威脅問題[1-4]。礦井采掘過程中一旦發(fā)生突水，及時準確確定突水水源是快速解決治理水害問題的關(guān)鍵[5-7]。而水源識別過程中，水化學是識別突水水源的主要方法，這種方法主要是依靠不同含水層水化學特征離子的差異性來分辨不同含水層的[8-12]。為此，本文以東灘煤礦正在回采的63上06工作面突水為背景，利用水化學方法進行分析，探討各主要充水含水層水化學成分特征及其形成機制，找出差異性，進行突水水源判別。

1 研究區(qū)背景概況

東灘煤礦位于兗州煤田向斜核部，主采的3煤層被巨厚松散層和侏羅系紅層覆蓋，63上06工作面切眼位于3煤層露頭附近，屬于深埋煤層的淺部開采范疇，距離奧灰遠，且三維地震顯示切眼附近周邊沒有較大落差的斷層，直接充水含水層為3煤頂?shù)装迳皫r水和侏羅系紅層水，間接充水含水層主要是底板的三灰水[13]。該工作面于2020年2月11日開始回采，每日推進3.5 m左右；2020年2月26日上午，工作面開采至距切眼56 m處（圖1），在30-33號架、37號架、97-107號架底板架后開始向外突水，總涌水量約15 m3/h，但回采面支架范圍頂板無水，初步分析工作面處于初次來壓期間后采空區(qū)頂板水。隨后加強觀測，2月27日突水增加到25 m3/h，2月28日早班推進60 m位置，14-41號架，154號架架后突水，回采面支架范圍頂板仍無水，架后總涌水量30 m3/h。3月1日突水量增大到35 m3/h；3月2日推進74 m（圖1），架后突水約40 m3/h。由此可見，短期內(nèi)該工作面隨著回采的推進，涌水量將呈增加的變化趨勢。為保證工作面能順利回采，故需要對突水水源進行分析，以便采取及時有針對性的防治措施。

2 突水點水質(zhì)類型對比劃分

為了對比分析63上06工作面突水水源類型，這里收集整理了19個相關(guān)水質(zhì)分析數(shù)據(jù)（表1），其中，3砂水、侏羅系紅層水和三灰水各3個水化學分析數(shù)據(jù)，6個其它工作面采空區(qū)水質(zhì)分析數(shù)據(jù)和要識別的63上06工作面4個水質(zhì)分析數(shù)據(jù)。從表1可明顯看出，4個63上06工作面突水的6個主要陰陽離子、礦化度和總硬度等水質(zhì)特征和3砂水、侏羅系紅層水及三灰水均具有明顯的差異性，而和6個其它工作面采空水的具有較好的一致性，初步分析屬于頂板垮落后的3砂水和侏羅系紅層的混合水通過該工作面采空區(qū)流出。

根據(jù)表1中6個主要陰陽離子，利用AquaChem軟件進行了P iper圖的繪制（圖2）[14-15]，根據(jù)各含水層在菱形區(qū)域的分布特征，3砂水屬于Na-H C O3-S O4型，侏羅系水屬于Na-Cl-H C O3型，三灰水屬于Na-H C O3型，采空區(qū)水基本均屬于Na-S O4型。這樣可初步分析63上06工作面出的水屬于采空區(qū)水。

表1 東灘煤礦部分突水位置水化學主要特征對比表單位：mg/L

為進一步分析突水水源類型，根據(jù)這19個水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，進行典型特征離子在各個含水層中所占毫克當量百分比進行分析。根據(jù)毫克當量換算關(guān)系，限于篇幅，這里對每個含水層的主要陰陽離子的平均值進行分析（見表2），分析結(jié)果和圖2所反映的特征基本一致。

表2 突水位置主要含水層離子毫克當量相關(guān)分析

圖2 不同類型水的P iper對比圖

3 典型離子比值分析與討論

為進一步探究各含水層水化學特征差異性，根據(jù)各水樣中典型離子毫克當量濃度比值所反映的水化學場信息[16]，對其中的幾種特征離子進行比值分析（表3），5中類型水的3種典型離子比值具有較大差異性，這3種比值所反映的水化學特征分述如下：

表3 突水位置主要含水層典型離子毫克當量比值相關(guān)分析

1）γCl-/γCa2+。是用來描述水動力特征的參數(shù)，Cl-通常在水動力條件滯緩的區(qū)域富集，而Ca2+是低礦化度水中的主要離子，所以通常γCl-/γCa2+值越大則表明該區(qū)域水動力條件越差，地下水流流動滯緩，水流交替作用弱，溶濾作用不充分，巖層中保留了易溶鹽。

從表3可明顯看出，63上06面4個采空區(qū)水的γCl-/γCa2+系數(shù)和其它6個工作面的基本一致，但和其它3個含水層的有明顯區(qū)別，均明顯小于3砂、侏羅系和三灰這3個含水層的水，說明采空區(qū)水的水動力條件好，水流交替作用強。

2）γNa+/γCl-。系數(shù)通常是用來表征地下水的變質(zhì)程度。變質(zhì)系數(shù)是地層封閉性、地層水變質(zhì)程度和活動性的重要指標，由于Cl-化學性質(zhì)穩(wěn)定，很少產(chǎn)生吸附、沉淀和交換反應，Na+則可能由于吸附、沉淀等化學反應而減少，因此在地下水埋藏沉積后，γNa+/γCl-一般都趨于降低，從而反映地下水的變質(zhì)程度。γNa+/γCl-越大，反映地層水受滲入水的影響越強，反之則反映地層水受滲入水影響越弱。它又被稱為地下水成因系數(shù)，可當作表征水-巖作用中礦物質(zhì)鹽分淋溶與積累強度的標志，同時此系數(shù)對判斷地下水中Na+富集程度有重要意義。海水中γNa+/γCl-的均值為0.85，因為海水以Na+為主，侵入陸相沉積物時，Na+吸附地層中的Ca2+，發(fā)生陽離子交替吸附作用，水體中的鈉離子含量下降（γNa+/γCl-＜0.85）；當γNa+/γCl-接近于1時，表明含巖鹽地層溶濾在地下水起主導作用。自然條件下，地下水中的Na+和Cl-的主要來源是巖鹽，理論上巖鹽的溶解會釋放出等量的Na+和Cl-進入溶液中。當γNa+/γCl-大于1時，Cl-離子通常來源于細粒沉積物中的侵染狀巖鹽巖，而地下水中的鈉離子可能來源于除巖鹽溶解外其他不同的化學作用。Ca2+、Mg2+和Na+之間的陽離子交換，也可以解釋地下水中Na+的高濃度。

從表3可明顯看出，63上06面4個采空區(qū)水的γNa+/γCl-系數(shù)和其它6個工作面的基本一致，但和其它3個含水層的有明顯區(qū)別，均明顯大于3砂、侏羅系和三灰這3個含水層的水，說明采空區(qū)水的水動力條件好，受其它含水層滲入水的影響強。

（3）γNa+/γS O42-。比例系數(shù)可以用于判斷Na+、S O42-含量與芒硝溶解的關(guān)系。芒硝，主要成分為含水硫酸鈉Na2S O4·10H2O，因此分析Na+和S O42-關(guān)系時可以參考1∶1（毫克當量為單位）趨勢線。當γNa+/γS O42-趨近于1時，說明土體或巖體中可能存在芒硝。

63上06面4個采空區(qū)水的γNa+/γS O42-系數(shù)均值明顯接近于1，而其它含水層水對應比值均大于1，認為頂板的侏羅系紅層水和3砂水經(jīng)過采空區(qū)后水化學成分發(fā)生較大變化（見表3），一方面可能流經(jīng)采空區(qū)和硫化物如煤中的黃鐵礦發(fā)生反應，另一方面沿途滲流補給中可能源于地層巖體中的芒硝溶解。

4 結(jié)論

1）基于63上06工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)分析基礎上，確定了63上06工作面突水的主要充水含水層，選取了各含水層典型水化學分析數(shù)據(jù)，進行了各含水層水化學場特征分析，發(fā)現(xiàn)4個63上06工作面突水的6個主要陰陽離子、礦化度和總硬度等水質(zhì)特征和3砂水、侏羅系紅層水及三灰水的均具有明顯差異性，而和6個其它工作面采空水的具有較好的一致性，初步分析認為該工作面突水屬于頂板3砂水和侏羅系紅層的混合水通過采空區(qū)流出。

2）通過P iper三線圖獲得了5個含水層的主要水化學類型，63上06工作面水質(zhì)和其它6個采空區(qū)的是一致的，和3砂水、侏羅系紅層水及三灰水的水化學類型存在較大差異性。

3）基于部分典型離子毫克當量比值較詳細探討了這5種水的水環(huán)境變化過程及機理，通過對比分析不同離子毫克當量比值的均值變化，發(fā)現(xiàn)侏羅系紅層水的水動力條件最弱，相對滯緩，以靜儲量為主，63上06工作面目前突水屬于典型的采空區(qū)水，是可以疏放的。